[논문 리뷰] SMaRtLight: A Practical Fault-Tolerant SDN Controller

Fábio Andrade Botelho, Alysson Bessani외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 22.

Software-Defined Networks and 5G참고 문헌 12인용 수 14

한 줄 요약

SMaRtLight는 외부 조정 서비스가 필요 없도록 비잔틴 결함 내성 복제 상태 기계(BFT-RSM)로 구현된 복제된 공유 데이터베이스를 사용하여 소형에서 중형 네트워크를 위한 실용적이고 장애 내성 있는 SDN 컨트롤러 아키텍처를 제안한다. 이 설계는 낮은 지연 시간과 높은 성능으로 주 컨트롤러 전환을 보장하며, 학습 스위치 워크로드에서 초당 200개의 플로우를 처리하여 디스크 기반 로깅 대비 상당히 뛰어난 성능을 달성한다. 또한 장애 발생 시 일관성과 안전성을 유지한다.

ABSTRACT

The increase in the number of SDN-based deployments in production networks is triggering the need to consider fault-tolerant designs of controller architectures. Commercial SDN controller solutions incorporate fault tolerance, but there has been little discussion in the SDN literature on the design of such systems and the tradeoffs involved. To fill this gap, we present a by-construction design of a fault-tolerant controller, and materialize it by proposing and formalizing a practical architecture for small to medium-sized scale networks. A central component of our particular design is a replicated shared database that stores all network state. Contrary to the more common primary-backup approaches, the proposed design guarantees a smooth transition in case of failures and avoids the need of an additional coordination service. Our preliminary results show that the performance of our solution fulfills the demands of the target networks. We hope this paper to be a first step in what we consider a necessary discussion on how to build robust SDNs.

연구 동기 및 목표

• 문헌에서 소형에서 중형 네트워크를 대상으로 한 장애 내성 SDN 컨트롤러 설계에 대한 구체적 논의가 부족한 점을 보완하기 위해.
• 고가용성과 원활한 장애 복구를 보장하는 실용적인 아키텍처를 수립하기 위해 by-construction 방식을 제안하기 위해.
• ZooKeeper와 같은 외부 조정 서비스에 의존하는 것을 제거하기 위해 조정 로직을 장애 내성 데이터 저장소 내부에 통합하기 위해.
• 중앙집중식 컨트롤러가 복제와 캐싱을 통해 장애나 데이터 저장소 복제본 장애 발생 시에도 강건하고 높은 성능을 유지를 할 수 있음을 입증하기 위해.
• 오픈소스 SDN 컨트롤러인 OpenDaylight 등에 장애 내성 기능을 효과적으로 통합할 수 있는 설계 블루프린트를 제공하기 위해.

제안 방법

• 컨트롤러는 비잔틴 결함 내성 복제 상태 기계(BFT-RSM)로 구현된 복제된 공유 데이터베이스를 사용하여, 복제본 간 일관성과 장애 내성을 보장한다.
• 모든 네트워크 및 애플리케이션 상태는 공유 데이터 저장소에 저장되어, 주 컨트롤러이든 백업 컨트롤러이든 네트워크에 대한 동일한 시각을 유지할 수 있다.
• 읽기 지연을 줄이기 위해 각 컨트롤러에 캐시를 통합하여 공유 데이터 저장소에 반복적으로 접근하는 것을 방지한다.
• BFT-SmaRt의 일관성 의미 체계를 활용해 주 컨트롤러 선출과 레이스 획득을 내재적으로 처리함으로써 외부 조정 서비스가 필요 없도록 한다.
• 데이터 저장소의 내장된 조정 메커니즘을 활용해 1초 이내에 유한 시간 내에 주 컨트롤러를 대체할 수 있도록 아키텍처를 설계하였다.
• 성능 평가를 위해 수정된 CBench 워크로드를 사용하여 정상 운영 시 및 컨트롤러/데이터 저장소 장애 발생 시의 처리량을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 조정 서비스에 의존하지 않고 소형에서 중형 네트워크를 대상으로 실용적이고 장애 내성 있는 SDN 컨트롤러를 어떻게 아키텍처화할 수 있는가?
• RQ2 BFT-RSM 기반 공유 데이터 저장소를 사용한 상태 관리가 성능 및 장애 복구 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 중앙집중식 컨트롤러 아키텍처가 복제와 캐싱을 통해 일관성을 유지하면서도 고가용성과 빠른 장애 복구를 달성할 수 있는가?
• RQ4 실세계 SDN 워크로드에서 BFT-RSM 기반 데이터 저장소의 성능은 디스크 기반 상태 영속성 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 SDN 컨트롤러의 장애 내성에서 조정 로직을 데이터 저장소 내부에 통합하는 것과 ZooKeeper와 같은 외부 서비스를 사용하는 것 사이의 성격은 무엇인가?

주요 결과

• SMaRtLight 아키텍처는 학습 스위치 워크로드에서 초당 200개의 플로우를 처리하며, 디스크 기반 로깅 방식 대비 250배 빠른 성능을 달성한다.
• 주 컨트롤러 장애 복구는 1초 이내에 완료되며, 스위치 재구성과 JVM 웜업으로 인해 전체 시스템 처리량이 약 4초 만에 복구된다.
• 데이터 저장소 복제본의 장애는 시스템 성능에 눈에 띄는 영향을 주지 않아, 복제 모델의 내성적 복원력을 입증한다.
• 컨트롤러 측 캐시의 사용은 읽기 지연을 크게 감소시키고 공유 데이터 저장소 접근 빈도를 줄여 전체 시스템의 반응성을 향상시킨다.
• 네트워크 분할 및 컨트롤러 충돌과 같은 모든 장애 조건에서도 모든 복제본 간 강력한 일관성과 안전성을 유지한다.
• BFT-RSM 기반 데이터 저장소는 고부하 상황에서 최적화된 처리량 기법 덕분에 Onix에서 사용하는 일관성 있는 데이터 저장소보다 뛰어난 성능을 보인다.